消聲器設(shè)計及內(nèi)部流場數(shù)值研究

(蚌埠市地方海事局 安徽 蚌埠 233000)

消聲器設(shè)計及內(nèi)部流場數(shù)值研究

劉志俊

(蚌埠市地方海事局安徽蚌埠233000)

本文主要論述了消聲器基礎(chǔ)理論及結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)并以此未基礎(chǔ)進行模型構(gòu)建，希望對相關(guān)相關(guān)理論提供一定的理論參考。

柴油機發(fā)電機組；聲器設(shè)計；消內(nèi)部流場數(shù)值

一、前言

對本文選定某型號柴油機發(fā)電機組的排氣消聲器，利用Gambit建模軟件對其進行了模型建模，然后使用流體仿真軟件對該模型進行三維仿真計算，得出了該消聲器內(nèi)部的速度矢量場、壓力場、流線圖等，根據(jù)仿真結(jié)果，對消聲器內(nèi)部各流場分布情況進行分析和總結(jié)，并提出了局部優(yōu)化改進建議。

二、消聲器基礎(chǔ)理論

(一)內(nèi)燃機排氣噪聲的產(chǎn)生的機理

內(nèi)燃機排氣過程可分為自由(或稱超臨界)排氣階段和強制排氣階段。柴油機全負(fù)荷工作時，排氣開始時氣缸內(nèi)燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)800—1000攝氏度，氣缸壓力Pn約為(3—4)x10e5Pa。由于這時氣缸內(nèi)的壓力為排氣管內(nèi)壓力的兩倍以上，排氣為超臨界流動，這時通過排氣門的氣體速度等于燃?xì)庵械穆曀?。自由排氣階段，雖然占整個排氣時間的百分比不大，但氣體流速很高，排出廢氣量可達(dá)60%以上。廢氣從排氣門以高速沖出，沿著排氣管進入消聲器，最后從尾管排入大氣，在這一過程中，產(chǎn)生了寬頻帶的排氣噪聲[1]。

(二)排氣噪聲控制的基本理論

控制內(nèi)燃機所產(chǎn)生的噪聲應(yīng)立足于不產(chǎn)生噪聲和降低聲源的強度，可以從以下兩個方面來控制噪聲:一種方法是從減少噪聲源來考慮，根據(jù)噪聲產(chǎn)生的機理來采取相應(yīng)的措施。這種方法是最徹底的，而且其潛力也是很大的。

三、消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)及模型

(一)設(shè)計依據(jù)

該柴油機發(fā)電機組的基本參數(shù)如下：

缸數(shù)：τ=6

功率：P=94.4kw

廢氣溫度：T=823K

柴油機的排氣噪聲主要包括以下三個方面的噪聲：

1.基頻噪聲

2.管道內(nèi)氣柱共振噪聲

當(dāng)n=2時，f=287Hz

當(dāng)n=3時，f=4790Hz

3.亥姆茲共振噪聲

下面所設(shè)計的消聲器主要用來消除柴油機的基頻噪聲以及2-3倍的基頻噪聲[2-3]。

(1)消聲器的總?cè)莘eVm由容積比確定

所以相應(yīng)的排氣管直徑d?(93,130)mm

取d=110mm。

(3)擴張室直徑D的確定

由消聲量確定擴張比m=16，所以：

(4)消聲器的總長

知道消聲器的總體積和擴張室直徑后可以計算出消聲器的總長度L：

縱橫比：

縱橫比滿足設(shè)計要求。

(5)消聲器各腔的長度

消聲器總長確定后，就要確定各級的長度，可以看出sin2(Kili)=1時，TL最大，所以

L2=L-L1=1.35m

(6)為了消除通過頻率，在消聲器各擴張室的入口和出口端接入內(nèi)插管，分別用以消除波長的奇數(shù)倍的通過頻率和偶數(shù)倍的通過頻率。

(7)消聲頻率范圍

(8)用以消除高頻噪聲的阻性吸聲材料

表1超細(xì)玻璃棉的相關(guān)參數(shù)

(二)數(shù)值模型

利用Gambit件結(jié)合消聲器的以上結(jié)構(gòu)參數(shù)進行建模，排氣消聲器尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為使網(wǎng)格劃分合理，既能反映小尺度部件，又控制網(wǎng)格數(shù)量，還具有良好的邊界擬合特性，采用非結(jié)構(gòu)化不均勻四面體網(wǎng)格劃分方案。計算域網(wǎng)格尺度從幾毫米到幾十毫米不等，總網(wǎng)格單元數(shù)約為104857個，最終模型結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 消聲器整體及局部網(wǎng)格示意圖

四、數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2 消聲器內(nèi)部軸向截面流線圖

圖2為消聲器的內(nèi)部流線圖，進口段的流線平行均勻，流體繞過彎道進入第一腔廓張室后，其中有渦流產(chǎn)生，但渦流部分流速較低，由此產(chǎn)生的再生噪聲較小。消聲器的消聲效果較好，進出口測點處的頻譜圖如下圖所示：

圖3 消聲器入口測點處的聲壓級-頻率及聲壓級-1/3倍頻程頻譜圖

圖4 消聲器出口測點處的聲壓級-頻率及聲壓級-1/3倍頻程頻譜圖

將上面的倍頻程聲壓級按式(1)計算得到消聲器入口處的總聲壓級為109dB，消聲器出口處的總聲壓級為94dB，整和吸聲材料消除的高頻噪聲大約10dB，該消聲器大約能消掉噪聲24dB。

LP總=10lg[(100.1Lp1+100.1LP2+…+100.1LPn)]

(1)

五、結(jié)論

所設(shè)計的原型排氣消聲器是一個典型的抗型排氣消聲器，單憑經(jīng)驗公式計算出來的消聲量只能做為近似預(yù)估總體參數(shù)，很難考察它的內(nèi)部聲場，因此利用數(shù)值模擬方法進行了數(shù)值分析和降噪性能驗證，通過對消聲器內(nèi)速度矢量場、壓力場和湍動能流場的分析，指出了流場在消聲腔里噪聲再生的原因。

[1]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊.機械工業(yè)出版社，2007.1

[2]黎志勤.汽車排氣系統(tǒng)噪聲與消聲器設(shè)計.中國環(huán)境科學(xué)出版社，1991.2

[3]張林.柴油機排氣消聲器的設(shè)計選型.起重運輸機械，2001

劉志俊，職稱中級,主要研究船舶檢驗。